LITHOGRAPHIES CONVENTIONNELLES : OPTIQUE & ELECTRONIQUE

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Les différentes techniques de lithographie

Les techniques de lithographies classiques impliquent une interaction entre un faisceau incident (photons, électrons …) et un film déposé sur un substrat solide, cette interaction engendrant la modification chimique de ce film. Certaines techniques émergentes se basent sur ces techniques conventionnelles. Toutes ces techniques vont être présentées dans cette partie.

Lithographies conventionnelles : Optique & Electronique

La lithographie optique par projection

Il s’agit de la technique la plus utilisée en microélectronique, car elle permet une production en masse des circuits intégrés. Cette méthode consiste à insoler une résine photosensible (longueurs d’onde d’exposition de 248 nm ou 193 nm), déposée sous forme de film mince sur un substrat de silicium, à travers u n masque en verre (ou en quartz). Cette étape d’exposition est effectuée à l’aide d’outils de lithographie constitués de lentilles (avec des facteurs de réduction) qui permettent de dirige le flux de photons. Le film est exposé de manière sélective par l’intermédiaire de motifs absorbants en chrome présents sur le masque, qui définissent les structures à réaliser. Dans leszones exposées, les photons réagissent avec la résine et modifient les propriétés de solubilitéde celle-ci. Les structures sont ensuite révélées dans une solution appelée développeur s: lezones de résine non solubles demeurent à la surface du substrat, le reste de la résine étant solubilisé. Il existe deux catégories de résine : les résines positives et les résines négatives. Dans le cas des résines positives, les zones exposées sont solubles dans le développeur. C’est donc la résine située sous les parties chromées du masque qui demeure à la surface du substrat. Pour les résines négatives, au contraire, les zones exposées deviennent insolublesdans le développeur. C’est donc la résine située sous les parties non chromées du masque quidemeurent à la surface du substrat. Tout ceci est montré sur le schéma présenté Figure 2.
La course à la miniaturisation rend nécessaire la diminution des dimensions des motifs sur les masques, l’amélioration des systèmes optiques et l’amélioration de la résolution des résines utilisées. La résolution d’un système optique est la plus petite dimension qu’il peut résoudre et est donc le paramètre critique de la lithographie. La résolution de la lithographie optique par projection est définie par le critère deRayleigh qui donne la relation entre la longueur d’onde d’insolation, 1 et la résolution des motifs, R. Cette relation est donnée ci-dessous : R = k1 x λ NA
Où k1 est une constante qui dépend de l’appareillage, du type de masque et de la résine ; 1 la longueur d’onde d’exposition et NA1 l’ouverture numérique du système optique (paramètre dépendant de l’indice optique du milieu et de l’angle maximum de collection des faisceaux diffractés).
De part cette équation, les solutions permettant l’amélioration de la résolution R() sont la diminution du facteur k1, la diminution de la longueur d’onde d’exposition et/ou l’augmentation de l’ouverture numérique des optiques (lithographie par immersion). Pour atteindre les nœuds technologiques futurs, des tech niques de lithographie émergentes telles que la lithographie EUV, la lithographie à immersion , la lithographie sans masque ou la nano-impression sont à l’étude. Celles-ci sont plus ou moins brièvement présentées dans les paragraphes suivants.

Variantes de la lithographie optique

La lithographie extrême UV (EUV) est une technique de lithographie optique par projection utilisant un faisceau d’une longueur d’o nde 13,5 nm. L’ensemble des matériaux utilisés habituellement sont absorbants pour cette longueur d’onde. Le système optique ne peut donc plus fonctionner en transmission, mais en réflexion par l’intermédiaire de miroirs de Bragg. De plus, l’insolation doit avoir lieu sous vide pour éviter l’absorption de la longueur d’onde par l’air. A l’heure actuelle, cett e technique n’est pas encore utilisée en production en raison de la qualité et du coût des masques, du coût de la machine et de son faible rendement.

La lithographie à immersion

Cette technique est basée sur la lithographie optique à 193 nm, et consiste à introduire un liquide d’indice optique supérieur à celui de l’air entre la dernière lentille de projection et la plaque de silicium [12, 13]. La résolution obtenue est améliorée par l’indice de réfraction du liquide plus élevé que celui de l’air. Ceci induitune augmentation de l’ouverture numérique du système. Le liquide utilisé pour les premières énérationsg de lithographie par immersion est l’eau (indice optique 1,44 à 2 = 193 nm). La longueur d’onde effective passe donc de 193 nm à 134 nm (longueur d’onde effective obtenue en d ivisant la longueur d’onde totale par l’indice de réfraction du milieu) et ainsi la résolution augmente. L’eau peut être remplacée par des liquides à plus fort indice optique. Cette technique a été adoptée en production pour le nœud technologique 45 nm (avec l’eau comme liqui de).

La lithographie double exposition

La lithographie à double exposition a pour but, par l’intermédiaire de la diminution de la densité des motifs réalisés en une seule étape lithographique, d’augmenter la densité d’intégration. Deux étapes de lithographie sont alors réalisées [14], le motif final étant obtenu grâce à une double exposition. Les étapes de lithog raphie sont réalisées par la technique de lithographie optique. Cette augmentation d’étapes technologiques entraine un rendement global plus faible, la réalisation d’un alignement entre les niveaux lithographiques qui reste délicat ainsi que le développement de nouvelles résines. L’avantage de cette technique est 1 NA – Numerical Aperture qu’il n’est plus nécessaire d’investir dans de nouveaux systèmes d’exposition. Cette technique utilise les performances de la lithographie par immersion (nœud technologique 45 nm) pour les nœuds 32 nm ou 22 nm. Elle est actuell ement utilisée en production pour le nœud 32 nm et fait toujours l’objet d’études [15].

La lithographie électronique

La lithographie électronique est une technique de lithographie ne nécessitant pas l’utilisation d’un masque et fonctionnant avec un f aisceau d’électrons qui balaye la surface de la résine avec une énergie de 1 à 200 keV. Les motifs sont donc directement exposés dans la résine, avec un faisceau très fin (5 nm) dans lecas de motifs haute résolution, ce qui rend tette technique lente et limite considérablement le rendement (vitesse d’écriture faible). Cependant la lithographie électronique présente uneexcellente résolution (10 nm [16]). Cette technique est donc surtout utilisée pour des applications de recherche et développement et très peu pour la production de masse, à l’exception de réalisations spécifiques de faible rendement.

Lithographies non-conventionnelles et émergentes : impression par microcontact et nano-impression

Impression par micro-contact

L’impression par micro-contact (µCP pour micro-cont act printing [17]) est une technique d’encrage moléculaire. Un tampon en élastomère souple (généralement du polydiméthylsiloxane – PDMS) est utilisé comme moule. Le principe de cette technique est exposé Figure 3. On trempe le tampon dans une encre pour l’enduire de la substance à déposer, puis il est pressé contre un substrat. Lessurfaces de ce dernier ayant été en contact avec les structures du tampon sont alors encrées. Ce dépôt est obtenu par effet d’adhésion de l’encre sur le substrat. Cette monocouche agit comme protection contre la gravure de la même façon qu’une résine.
Cette technique a permis la réalisation de microstructures sur des surfaces courbes [18], la fabrication de transistors à effet de champ [19] , de structures magnétiques ou encore de dispositifs optiques [20]. La résolution de cette technique est limitée par la taille des motifs du moule en PDMS [21, 22] ainsi que par la diffusion des molécules en dehors des zones de contact qui élargit les motifs de petites tailles [23].

Lithographie par nano-impression thermique (NIL)

La nano-impression est une variante de la technique appelée «hot embossing ». En 1995, Chou et al. [24] la présentent comme une technique de lithographie pouvant permettre la fabrication de nanostructures. Cette technique permet la duplication dans un film polymère d’un moule (réalisé par une technique de lithographie conventionnelle et gravure) à l’échelle X1. Le film polymère est déposé sur le substrat ensilicium par centrifugation. L’ensemble moule – substrat est chauffé à une température supérieure à la température de transition vitreuse (Tg) du polymère. Les chaines du polymère sont alors mobiles, ce qui rend le polymère déformable. Une pression est appliquée surle moule, ce qui entraine le remplissage des cavités par le polymère. L’ensemble moule – substrat est ensuite refroidi à une température inférieure à la T du polymère avant séparation. En général, une couche de résine résiduelle est observée en fond de motifs et est retirée par gravure plasma. La réplique négative des structures du moule est obtenue dans le polymère.
Cette technique est expliquée Figure 4 et Figure 5 .Le procédé complet est donné Figure 4 : le détail en 3D du résultat obtenu après démoulage (séparation moule-substrat) est donné Figure 5. Sur cette dernière, nous pouvons observer une fine couche de polymère en fond de motifs. L’épaisseur initiale est choisie de manièreà contrôler l’épaisseur résiduelle. Elle évite un contact direct entre le moule et le substrat. Les paramètres géométriques représentés sont : L, la largeur d’une ligne, S, l’espacement, hr, l’épaisseur résiduelle ethi, l’épaisseur initiale du film. La Figure 6 présente des photos MEB de motifs présents sur un moule et les motifs imprimés correspondants dans le polymère.
Chou et al. [26] présentent en 1997 la reproduction fidèle depiliers de 10 nm de diamètre en combinant nano-impression thermique et lift-off, montrant ainsi la possibilité de reproduire des motifs de petites dimensions par cette technique. Des résolutions (limitées par celle du moule) identiques à celles obtenues en lithographie électronique peuvent être obtenues à moindre coût. Effectivement, les temps de procédé ne NIL thermique sont plus courts (quelques minutes) que ceux observés en lithographie électronique (quelques heures).
Plusieurs points critiques limitent l’utilisation de cette technologie en micro-électronique :
1 le silicium n’étant pas transparent à la lumière visible, les procédures d’alignement ne sont pas envisageables
1 les fortes pressions appliquées (10 bars à 100 bars)
1 les rampes de température induisent des temps de cycle aussi longs que ceux de lithographie optique
1 l’utilisation de moules en silicium, pouvant induire le non respect des dimensions des structures si les matériaux utilisés pour le substrat et le moule n’ont pas le même coefficient de dilatation thermique
1 la contrainte principale des moules en silicium concerne la défectivité liée à l’arrachage des motifs au cours de l’étape de démoulage
L’UV-NIL permet de pallier à certains de ces problè mes. Cette technique est détaillée dans le paragraphe suivant. D’autres obstacles au développement de cette technique du NIL thermique sont encore rencontrés comme l’uniformitédes pressages, les problèmes d’adhésion du polymère ou encore la durée de vie des moules (du fait du contact entre le moule et le film polymère).

Nano-impression assistée par UV (UV-NIL)

L’UV-NIL (ou nano-impression assistée par UV) est une évolution de la nano-impression thermique de part l’association de la nano-impression avec une exposition sous ultraviolets [27]. En UV-NIL, un moule transparent (souvent en quartz) et une résine photosensible sont utilisés. Cette résine est constituée de monomèreset d’un photo-initiateur ; la présence des monomères confère à cette résine une faible viscosité de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de mPa.s. Elle est donc fluide à température ambiante. Le moule et la résine sont mis en contact par l’application d’une faible pression. La fluidité de la résine permet à celle-ci de remplir les cavités du moule. Son exposition à un faisceau UV (large bande 365 nm) à travers le moule entraîne sa polymérisation. Après démoulage, la couche de résine résiduelle en fond de motifs est retirée grâce à une étape de gravure plasma. Le principe général de la technique est donné Figure 7. En comparaison avec la nano-impression thermique, cette technique présente plusieurs avantages : résines très peu visqueuses, pas de cycle de chauffe et utilisation de faibles pressions et surtout la possibilité d’alignement.
Plusieurs variantes de cette technique ont été développées, tout d’abord, le procédéUV-NIL « pleine plaque » ou « full wafer », dans lequel le moule et le substrat ont la même dimension, mais aussi, le procédéUV-NIL « step and repeat » dans lequel le moule est de petite dimension (entre 1 cm et 5 cm de coté). Pour celui-ci, l’étape d’impression est répétée un certain nombre de fois pour recouvrir la totalité de la surface du substrat. Pour le procédé« step and repeat », deux approches de dépôt de résine sur le substrat ont été proposées : 1- étaler la résine par centrifugation sur tout le substrat, il s’agit de la méthode « spin-coating » ou « dépôt par centrifugation » ; 2- déposer des gouttes de résine sur la puce à mprimer avant chaque pressage, c’est la méthode « drop-dispense » ou « dispense de gouttes ». Ces deux procédés sont schématisés Figure 8.
La principale limitation en UV-NIL est la réalisation des moules en quartz. Elle peut être palliée par l’utilisation de moules élastomères. Ceux-ci sont obtenus par la polymérisation d’une couche de PDMS (polydiméthylsiloxane) [20] contre les motifs d’un moule en silicium réalisé par lithographie conventionnelle. Cette technique est aussi connue sous le nom de lithographie molle (ou « soft lithography ») et a été développée parG.M. Whitesides [19, 28].

Lithographie par force capillaire (CFL)

Cette technique appelée CFL a été étudiée au débutdes années 2000 et notamment par l’équipe de K.Y. Suh [29, 30, 31, 32, 33]. Leur dernière étude [33] estla plus complète, et rassemble une partie des résultats obtenus au coursdes autres études.
Le principe de cette technique est présenté Figure .9Un moule (de type élastomère, PDMS) est placé en contact avec la surface d’un polymèredéposé par centrifugation sur un substrat. L’ensemble est chauffé au dessus de la Tg du polymère. Les forces capillaires permettent au polymère liquide de remplir les cavités du moule. Après refroidissement à température ambiante, le moule est retiré et une duplication négative du moule est obtenue. Si l’épaisseur de polymère déposée est suffisante, une épaisseurésidueller est obtenue, alors que si elle est suffisamment fine, aucune épaisseur résiduelle n’est observée. Cette technique est proche à la fois de la nano-impression thermique et de la nano-impression par déstabilisation spontanée (qui sera présentée plus tard). Contrairement à la nano-impression thermique, aucune force n’est appliquée, ce qui permet de dire qu’elle se rapproche beaucoup plus de ce que nous appelons la nano-impression par déstabilisation spontanée, à l’exception du fait qu’une duplication négative est obtenue et qu’un moule souple est utilisé. Trois axes principaux d’étude ont été présentés au cours de cette étudeur las CFL : la structuration à grande échelle, l’auto-organisation et le démouillage anisotropique. La Figure 10 présente schématiquement ces trois axes.
Une étude a montré l’application de cette techniqueà la structuration de nanocomposites
[34]. Cette technique est appelée « soft molding lithography » (SM) et est présentée Figure 11.
(a) Contact entre le moule et le composite
(b) Chauffage au dessus de la température « softening »
(c) Remplissage des cavité du à la capillarité
(d) Refroidissement à température ambiante et démoulage

Défauts observés en NIL thermique : « Ponts Capillaires » (défauts micrométriques)

La nano-impression thermique est néanmoins une technique prometteuse pour de nombreuses applications dans le domaine des nanotechnologies. Les premières études ont été réalisées sur des surfaces de quelques cm² [26], lantal ensuite vers des surfaces plus grandes, i.e. des wafers 4, 6 et 8’’ (100 mm, 150 mm et 200m m de diamètre) [8, 35, 36]. Les résultats de ces procédés de nano-impression thermique sont souvent ponctués de défauts. Un exemple type est présenté sur la Figure 12.
Figure 12 : Défauts observés lors du procédé de nano-impression dans des zones non structurées
Ces défauts ont été nommés « ponts capillaires »,arc ils ont été attribués à des forces capillaires entre le moule et le polymère au cours du procédé d’impression lors d’études antérieures. Cette appellation est erronée dans la mesure où ces structures de taille micrométriques apparaissent alors que localement, le moule et le polymère ne sont pas en contact. Ces défauts ont donc un autre phénomène pour origine. Ils apparaissent à la fois dans les zones imprimées et non-imprimées du film polymère. Pour envisager une utilisation au niveau industriel de cette technique, il est nécessaire de comprendre et minimiser l’apparition de ces défauts. Plusieurs études sur la compréhension de ces phénomènes ont déjà été réalisées, sans aboutir à des conclusions claires. Schäffer et al [4] référence les divers effets causant les instabilités à l’interface des films polymères en nano-impression, l’exemple le plus souvent étudié étant le démouillage [37, 38]. Ces instabilités qui peuvent avoir lieu spontanément, et peuvent être dues aux forces de Van der Waals [39],à la nucléation du polymère [40] ou aux forces électrostatiques [7, 41, 42] et élastiques 43][. Les instabilités, entrainant des défauts tel que le démouillage et les ponts capillaires (défauts micrométriques) ont été reportées dans des études sur le comportement des polymères en nano-impression thermique et plus particulièrement concernant leur écoulement [2, 3] .
Les premières études effectuées au LTM sur des wafers de 200 mm de diamètre [36] se sont concentrées sur l’étude des défauts pouvant apparaitre lors du procédé de nano-impression. Cette étude a fait référence de l’observation de défauts de différents types [44], et a aussi reporté l’influence de l’environnement dans la chambre (pression ambiante : air ou vide) sur leur apparition [35]. Cette étude a permis de voir l’influence de plusieurs paramètres de procédé sur l’apparition de ces défauts : impression sous vide, solvant résiduel dans le film, déformation du moule. Des défauts ont pu être observés dans les zones planes sous la forme de « fleurs » (Figure 13) Ces défauts micrométriques ppelésa aussi « flower-like » avaient déjà été reportés précédemment [3, 44].
L’étude a aussi montré que certains défauts, commeceux montrés Figure 14, seraient dus à la propagation d’air piégé entre le moule et le polymère lors de procédés à pression atmosphérique. Ces résultats sont en accord avec les observations déjà réalisées parRoos et al [35] ; l’apparition de défauts sous forme de fleurs peut-être évité en réalisant l’impression sous vide (évitant ainsi que de l’air soit « piégé » entre les plaques de silicium, entraînant l’apparition de défauts). Schift et al [44] a émis l’hypothèse que ces défauts sous formede canaux étant induits par la présence d’air et observés au niveau des zones imprimées, avaient pour origine les instabilités de Saffman-Taylor. Ces instabilités apparaissent quand un fluide peu visqueux (l’air) interfère avec un fluide visqueux (le film polymère). L’air présent dans la chambre est piégé entre le moule et le substrat aumoment où la pression est appliquée sur ceux-ci, et est alors comprimé dans les motifs denses. Il s’écoule alors au travers du polymère créant ainsi des canaux. Quand aux défauts sous forme de fleurs, obtenus au niveau des zones sans motifs, ils ne seraient pas dus aux mêmes types d’instabilités, mais à la déformation du moule au niveau des zones planes. La distance polymère – moule devient alors plus faible rendant possible l’apparition de défauts micrométriques comme les fleurs. Quand cette distance augmente, les fleurs couvrent alors une plus grande surface.
Comme remarqué dans l’étude précédente,Schift et al [44] ont aussi observé des défauts lors du remplissage des cavités du moule, leurs conclusions étant similaires. Pour les zones ne présentant pas de structuration, les défauts sont usd à des différences locales de pression (déformation du moule). Quand à ceux observés au niveau des zones présentant des structures, ils sont dus à l’air piégé entre le moule et le polymère et peuvent être accompagnés de démouillage. Heyderman et Schift [2] avaient déjà observé l’apparition de ce type de phénomènes complexes et dépendant des paramètres deprocédé ainsi que de la géométrie de moule. Ces phénomènes peuvent être attribués à plusieurs effets comme les interactions électrostatiques, les effets capillaires, la minimisation de l’énergie de surface, ceux-ci influençant grandement le comportement hydrodynamiq ue du polymère. La formation des motifs sous forme de « doigts » ou « finger-like » observée par Schift et al [44] est présentée Figure 15.
D’autres études ont été menées au laboratoire concernant l’étude des défauts micrométriques, notamment sur l’influence de la profondeur du moule [1, 45], de la masse moléculaire en poids du polymère et des conditionsde pressage [46], ou encore sur l’influence de la déformation du moule [25, 36, 47].
Les études concernant la profondeur et la déformation du moule se rejoignent sur le point que le paramètre clé concernant l’apparition de défauts dus aux effets capillaires est la distance entre le polymère et le moule. Au cours de leur étude concernant l’influence de la profondeur du moule sur les défauts micrométriques,Chaix et al [45] ont montré que le nombre de défauts micrométriques augmentait si la profondeur de la cavité créée dans le moule diminuait. Nous aurons l’occasion de parler de ces résultats plus en détails dans les chapitre suivants.
Une autre étude effectuée parLandis et al [1], part du même principe d’étude des défauts micrométriques en fonction de la profondeur des cavités mais aussi leur caractérisation en fonction de la température d’impression, de l’épaiseur de résine et du temps d’impression.
Quelque soit l’épaisseur de polymère (50 nm à 285 nm), le nombre de défauts micrométriques diminue quand la profondeur de la cavité augmente et aucun défaut micrométrique n’est observé pour une profondeur supérieure à 80 nm. Deplus, mis à part pour l’épaisseur la plus faible (50 nm), aucune différence n’est observée concernant l’évolution du nombre de défauts micrométriques en fonction de l’épaisseur (100 nm à 285 nm, Figure 16). Le nombre de défauts micrométriques observés pour 50 nm est 10oisf moins important que pour les autres épaisseurs.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : LITHOGRAPHIE, NANO-IMPRESSION ET DESTABILISATION SPONTANEE – ETAT DE L’ART ET MOYENS EXPERIMENTAUX
1 INTRODUCTION
2 LES DIFFERENTES TECHNIQUES DE LITHOGRAPHIE
2.1 LITHOGRAPHIES CONVENTIONNELLES : OPTIQUE & ELECTRONIQUE
2.1.1 La lithographie optique par projection
2.1.2 Variantes de la lithographie optique
2.1.3 La lithographie électronique
2.2 LITHOGRAPHIES NON-CONVENTIONNELLES ET EMERGENTES : IMPRESSION PAR MICROCONTACT ET NANO-IMPRESSION
2.2.1 Impression par micro-contact
2.2.2 Lithographie par nano-impression thermique (NIL)
2.2.3 Nano-impression assistée par UV (UV-NIL)
2.2.4 Lithographie par force capillaire (CFL)
3 DEFAUTS OBSERVES EN NIL THERMIQUE : « PONTS CAPILLAIRES » (DEFAUTS MICROMETRIQUES)
4 NANO-IMPRESSION PAR DESTABILISATION SPONTANEE : ÉTAT DE L’ART
4.1 STRUCTURATION FACE A UN MOULE PLAN
4.2 STRUCTURATION FACE A UN MOULE STRUCTURE
5 MOYENS EXPERIMENTAUX
5.1 PARAMETRES A ETUDIER : T, E, D
5.2 EQUIPEMENTS
5.2.1 Fabrication
5.2.2 Moyens de caractérisation
5.3 POLYMERES & MOULES
5.3.1 Polymères
5.3.2 Moules
6 CONCLUSION
CHAPITRE 2 : ETUDE DES MECANISMES DE DESTABILISATION SPONTANEE DE POLYMEREEN COUCHE MINCE.
1 INTRODUCTION
2 INFLUENCE DE LA TEMPERATURE
2.1 ETAT DE L’ART
2.2 RESULTATS EXPERIMENTAUX
2.3 CONCLUSION
3 INFLUENCE DE L’EPAISSEUR DU FILM
4 INFLUENCE DU TEMPS DE CONTACT
5 INFLUENCE DE LA DISTANCE POLYMERE – MOULE
5.1 FABRICATION DES « MOULES ESPACEURS »
5.2 RESULTATS EXPERIMENTAUX
5.3 SCENARIO DE REMPLISSAGE DES CAVITES DES DIFFERENTES STRUCTURES DU MOULE
5.4 COMPARAISON DE NOS RESULTATS A CEUX DE LA LITTERATURE ET CONCLUSION
6 CONCLUSION

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